基于PLC的加热炉温度控制系统设计本科毕业设计论文

1、本 科 毕 业 设 计（论文）任 务 书基于plc的加热炉温度控制系统设计本科毕业设计论文题目: 基于plc的加热炉温度控制系统设计原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)：温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。加热炉的温度控制系统具有较大的容量滞后，采用单回路控制往往会出现较大的动态偏差，很难达到好的控制效果，为提高系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量，采用基于plc的双闭环温度控制系统来提高加热炉的燃烧效率。通过本毕业设计培养

2、学生综合运用所学的基础理论、基础知识、基本技能进行分析和解决实际问题的能力，使学生受到plc系统开发的综合训练，达到能够进行plc系统设计和实施的目的。主要内容和要求（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）： 如图1所示的加热炉，它是由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器组成。图1加热炉温度系统加热器采用传统的价格较低的电阻板加热，水系统是加速加热炉温度恒定。通过检测内胆和夹套的温度来控制电阻板两端的电压变化，使炉温达到设定值。为提高系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量，采用串级控制方案，主、副控制器采用pid控制算法，手动整定或自整定pid

3、参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80左右，并能实时显示当前温度值。毕业论文中需有与本课题有关的国内外的研究现状，系统总体方案设计，硬件的工程设计与实现， plc控制程序设计（i/o地址分配，程序流程图），总结。日程安排：2010.12 -2011.4. 8 认真收集有关资料，完成开题报告2011.4.9-2011.4.20 提出总体方案并进行论证2011.4.20-2011.5.10 论文主体设计2011.5.11-2011.5.20 论文撰写，完成初稿2011.5.21-2011.5.28 程序调试和修改论文2011.5.29-2011.6. 7 编写设计说明书，准备答辩提

4、纲，进行答辩主要参考文献和书目：1 楼顺天、姚若玉、沈俊霞，matlab7.x程序设计语言，西安电子科技大学出版社，20082 黄友锐、曲立国，pid控制器参数整定与实现，科学出版社，20104 卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社，20095 周美兰、周封、王岳宇，plc电气控制与组态设计，科学出版社，20096 李科，温控系统的智能pid控制算法研究，硕士论文，中华科技大学，20067 吴长胜，基于plc控制的加热炉温度控制系统设计，学士论文，贵州师范大学，20068 李世斌、李宏伟，plc在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用，2003年第22卷第1期 9 欧祖鸿，基于wincc和s

5、7-200的温度测控系统，学士论文，重庆科技学院，201010 廖常初，plc 编程及应用，机械工业出版社，200511 顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防工业出版社，199612 王伟、张晶逃、柴天佑，pid参数先进整定方法综述，自动化学报，2000,5（26）34735513 胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社，200514 张扬、蔡春伟、孙明健，s7-200plc原理与应用系统技术，机械工业出版社，200715 jurgen muiler、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社，2007指导教师签字： 年 月 日教研室主任签字： 年 月 日本科毕业设计（论文）开

6、题报告（综述）题 目：基于plc的加热炉温度控制系统设计本课题来源及研究现状：随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。这方面的应用大多是基于单片机进行的pid控制，然而单片机控制的ddc系统软硬件设计较为复杂，特别是设计到逻辑方面更不是其长处，然而plc在这方面却是公认的最佳选择。随着plc功能的扩充，在许多plc控制器中都扩充了pid控制功能，因此在逻辑控制与pid控制混合的应用场所中采用

7、plc控制是较为合理的，通过采用plc来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优先，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，plc对温度的控制是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。这也是本次毕业设计所重点研究的内容。温度控制系统在国内各行业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大的差距。目前我国在这方面总体技术水平处于20实际50年代中后期水平，成熟产品主要以点位控制及常规的pid控制为主。它只能适应一般的温度控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适

8、应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件，控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化得，性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；是能够适应于受控数学模型难以建立的温度控制系统的控制；是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；是温度控制系统普遍

9、采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；是温度控制器普遍具有参数自整定功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关参数，以保证控制效果的最优化；是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。课题研究目标、内容、方法和手段：本课题研究的主要目标是采用串级控制方案，主、副控制器采用pid控制算法，手动整定或自整定pid参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80左右，并能实时显示当前温度值，其总体结构如图1所示。图1 调温总体

10、结构系统硬件组成由pc机、plc控制器、晶闸管调功器、加热炉对象等组成；加热炉对象由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器等组成。总体方案是采用plc控制器来对系统进行总体控制，温度变送器采集夹套和内胆温度信号；两个数显仪表分别对夹套温度和内胆温度的实际值进行实时显示；两个启动按钮对系统的运行与停止进行手动控制；指示灯来显示系统的运行状态；模拟量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务；调功器根据plc的控制信号对加热器进行控制，来实现对温度的控制。其各个部分的组成连接如图2所示。图2 设计总体方案连接图加热炉温的控制系统实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，plc的

11、扩展模块em235将送过来的电压信号转化为西门子s7-200plc可识别的数字量，夹套温度主给定量sv1与夹套温度主反馈量pv1比较后得到误差信号e1，然后plc将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过pid运算处理，输出控制量out1作为副控制器的给定，并与内胆温度副反馈量pv0进行比较得到误差信号e0，经福控制器进行pid运算输出控制量out0作为晶闸管调功器的输入信号，来控制输出电压的变化，从而控制内胆加热器上电压的高低，实时控制内胆温度副被控量和夹套温度主被控量，构成双闭环温度控制系统，其结构如图3所示。图3串级控制系统方框图设计（论文）提纲安排：第一章 绪论：对课题研究背景

12、国内外发展前景进行了阐述，并分别从基于单片机的温度控制系统，基于plc 的温度控制系统，基于工控机（ipc）的温度控制系统，集散型温度控制系统（dcs），现场总线控制系统（fcs）等介绍当前温度控制系统的发展状况。第二章 设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原理，并对pid控制算法做了基本介绍，简单阐述了pid运算在本设计中的用法，和对相关参数进行了确定第三章，系统硬件设计：介绍了硬件系统设计的组成和连线图，对系统所用到的硬件进行了介绍和选型。第四章，系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流程图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。第五章，

13、总结。设计（论文）提纲及进度安排：2010.13 -2011.4. 8 认真收集有关资料，完成开题报告2011.4.9-2011.4.21 提出总体方案并进行论证2011.4.20-2011.5.11 论文主体设计2011.5.11-2011.5.21 论文撰写，完成初稿2011.5.21-2011.5.29 程序调试和修改论文2011.5.29-2011.6. 7 编写设计说明书，准备答辩提纲，进行答辩主要参考文献和书目：1 廖常初.s7-200plc编程及应用m.北京：机械工业出版社,2006.2 吴中俊，黄永红主编.可编程序控制器原理及应用m. 北京：机械工业出版社，北京.2004,4.

14、3王永华.现代电气控制及plc应用技术m.北京：北京航空航天大学出版社，20084马秀坤，史云涛，马学军.s7-200plc与数字调速系统的原理及应用m.北京：国防工业出版社，20095陈伯时主编.电力系统自动控制系统m.北京：机械工业出版社,20036 张志杰 加热炉控制系统的优化设计与应用j.工业炉,2000,22(3):26-27.7 王浩宇,张云生,张果.管式加热炉pid算法改进及其在虚拟仪器中的应用j.自动化仪表,30(4):51-548 楼顺天、姚若玉、沈俊霞，matlab7.x程序设计语言，西安电子科技大学出版社，20089 黄友锐、曲立国，pid控制器参数整定与实现，科学出版社

15、，201010 卢京潮，自动化控制原理，西北工业大学出版社，200911 周美兰、周封、王岳宇，plc电气控制与组态设计，科学出版社，200912 李科，温控系统的智能pid控制算法研究，硕士论文，中华科技大学，200613 吴长胜，基于plc控制的加热炉温度控制系统设计，学士论文，贵州师范大学，200614 李世斌、李宏伟，plc在锅炉控制中的应用、自动化技术与应用，2003年第22卷第1期 15 欧祖鸿，基于wincc和s7-200的温度测控系统，学士论文，重庆科技学院，201016 廖常初，plc 编程及应用，机械工业出版社，200517 顾占松、陈铁年，可编程控制器原理与应用，北京国防

16、工业出版社，199618 王伟、张晶逃、柴天佑，pid参数先进整定方法综述，自动化学报，2000,5（26）34735519 胡学林，可编程控制器教程，电子工业出版社，200520 张扬、蔡春伟、孙明健，s7-200plc原理与应用系统技术，机械工业出版社，200721 jurgen muiler、张怀勇，西门子自动化系统实战，人民邮电出版社，200722 刘迎春，叶湘滨.传感器原理.，国防科技大学出版社，200223 付家才，plc实验与实践.，北京高等教育出版社，200624 袁宝歧，加热炉原理与设计，航空工业出版社198925 tracton.k.、时光译，显示电子学，人们邮电出版社，2

17、002指导教师审核意见：教研室主任签字： 年 月 日摘 要可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术，计算机技术，通讯技术融为一体，具有控制力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。本文先从课题研究背景说起，通过几个温控系统简单介绍了国内外发展现状。然后主要通过对系统的总体方案设计，硬件的选择、设计、使用，软件程序的思路、流程图、编写等方面详细介绍了各个模块的原理、设计和使用，并对程序中所使用的控制算法进行详细的介绍。实验证明，以plc作为控制核心，在通过plc编程控制温度对象，这种设计方式可以方便快捷的设计出符合要求的温度控制系统

18、。通过本设计可以熟悉并掌握西门子s7-200plc的原理与功能及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制问题。关键字： s7-200plc；em235；温度控制系统abstractwith the continuous development of the industrial automatization, peoples requirements for automatics become higher and higher. in recent years, rapid growing computer technology has been widely u

19、sed, but in the meantime, traditional industrial control software has critical shortcomings such as long development cycle, low reusability, high price and costly modifications. as more and more automatic equipments are applied and the requirements for industrial control software are higher and high

20、er, the traditional industrial control software can not meet the demand of consumers any more. how to design a flexible and effective automatic control system speedily and conveniently by using industrial control software has become a very important task. plc (programmable logic controller) is a kin

21、d of wildly used automatic control device, and it combines traditional relay control technology, computer technique and communication technology, and it characterized by strong control ability, flexible operation, high reliability and suitable for continuous working. this thesis introduces the princ

22、iples, design and application of each module from the selection, design, and application of hardware, and selection, compile of software in details. experiments prove that use plc as the control centre and control temperature object through programming by plc, we can design desirable temperature con

23、trol system conveniently and flexiblely. key words: s7-200plc; em235; temperature control system.目 录第一章绪论11.1系统设计背景11.2 温度控制系统的发展状况11.3本文的研究内容3第二章 设计总体方案及控制算法描述42.1系统总体方案42.1.1硬件方案设计42.1.2软件方案设计52.2 pid控制算法62.2.1 pid算法72.2.2pid在plc中的回路指令82.2.3 pid参数整定10第三章 系统硬件设计123.1 系统的硬件组成123.1.1系统结构组成123.1.2统各个组

24、成部分完成的任务123.2 可编程控制器123.2.1plc的特点123.2.2plc的选型133.2.3西门子s7-200主要功能模块介绍143.3系统其他硬件选型及配置173.3.2显示模块173.3.3温度传感器183.3.4调功器204.4系统硬件连接23第四章 系统软件设计244.1系统设计软件244.2方案设计思路254.2主程序部分264.3标度变换子程序294.4显示模块子程序314.5pid初始化子程序及中断程序35第五章总结42致 谢43参考文献44附录45第一章绪论1.1系统设计背景温度与人们的生存生活生产息息相关。从古人类的烧火取暖，到今天的工业温度控制，处处都体现了温

25、度控制。随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。各种温度控制算法如：pid温度控制，模糊控制算法，神经网络算法，遗传算法等都应用在温度控制系统中。近年来，加热炉的温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产中重要的被控参数之一，冶金、机械、食品、化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制，因此，在工业生产中和家居生活过程中对温度进行检测和监控，由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，而传统的温度控制器多由继电器组成的，但是继电器的触点的使用寿命有限，故障率偏

26、高，稳定性差，无法满足现代的控制要求。而随着计算机技术的发展，嵌入式微型计算机在工业中得到越来越多的应用。将嵌入式系统应用在温度控制系统中，使得温度控制系统变得更小型，更智能。随着国家的“节能减排”政策的提出，嵌入式温度控制系统能够降低能耗，节约成本这一优点使得其拥有更加广阔的市场前景，而plc就是最具代表性的一员。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极重要的实际意义。通过本设计可以熟悉并掌握西门子s7-

27、200plc的原理与功能及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制问题。1.2 温度控制系统的发展状况温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于plc 的温度控制系统，基于工控机（ipc）的温度控制系统，集散型温度控制系统（dcs），现场总线控制系统（fc

28、s）等。单片机的发展历史虽不长，但它凭着体积小，成本低，功能强大和可靠性高等特点，已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的4位机发展到32位机，其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定，工作精度高。但相对其他温度系统而言，单片机响应速度慢、中断源少，不利于在复杂的，高要求的系统中使用。plc是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。plc可靠性高、抗干扰能力强、编程简单，易于被工程人员掌握和使用，目前在工业领域上被广泛应用。相对于ipc，dcs，fs

29、c等系统而言，plc是具有成本上的优势。因此，plc占领着很大的市场份额，其前景也很有前途。工控机（ipc）即工业用个人计算机。ipc的性能可靠、软件丰富、价格低廉，应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境，抗振动、抗高温、防灰尘，防电磁辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控，一般较难达到满意的结果，原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂，较正确的数学模型不易建立，以经典的pid为基础的常规仪表控制，已很难达到最佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波，积分分离pid，选择性pid。参数自整定等各种灵活算法，以及“模糊判断”功能，是常规仪表和人力难以实现或无

30、法实现的。在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质，提高了平均热效率。但如果单独采用工控机作为控制系统，又有易干扰和可靠性差的缺点。集散型温度控制系统（dcs）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。dcs的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统dcs的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。基本dcs的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平，能减少操作人员的劳动强度，有助于提高系统的效率。但dcs在设备配置上要求网络、控制器、电源甚

31、至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致dcs成本太高。现场总线控制系统（fcs）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基于总线控制系统（fcs）的温度控制系统具有高精度，高智能，便于管理等特点，fcs系统由于信息处理现场化，能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态，这是其他系统无法达到的。但是，fcs还没有完全成熟，它才刚刚进入实用化的现阶段，另一方面，目前现场总线的国际标准共有12种之多，这给fsc的广泛应用添加了很大的

32、阻力。各种温度系统都有自己的优缺点，用户需要根据实际需要选择系统配置，当然，在实际运用中，为了达到更好的控制系统，可以采取多个系统的集成，做到互补长短。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。成熟产品主要以“点位”控制及常规的pid控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性

33、能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。1.3本文的研究内容本论文主要是利用plc s7-200作为可编程控制器，系统采用串级控制方案，主、副控制器采用pid控制算法，手动整定或自整定pid参数，实时计算控制量，控制加热装置，使加热炉温度为80左右，并能实现手动启动和停止，运行指示灯监控实时控制系统的运行，实时显示当前内胆温度

34、值与夹套温度值。具体有以下几方面的内容：第一章 绪论：对课题研究背景国内外发展前景进行了阐述，并分别从基于单片机的温度控制系统，基于plc 的温度控制系统，基于工控机（ipc）的温度控制系统，集散型温度控制系统（dcs），现场总线控制系统（fcs）等介绍当前温度控制系统的发展状况。第二章 设计总体方案：简单的从硬件部分和软件部分介绍了系统的工作原理，并对pid控制算法做了基本介绍，简单阐述了pid运算在本设计中的用法，和对相关参数进行了确定第三章，系统硬件设计：介绍了硬件系统设计的组成和连线图，对系统所用到的硬件进行了介绍和选型。第四章，系统软件编程：对编程的思路和各个编程部分的任务、组成、流

35、程图和梯形图进行了详细介绍，并对编程用软件的安装进行了说明。第五章，总结。第二章 设计总体方案及控制算法描述2.1系统总体方案加热炉温控制系统主要有软件与硬件两部分组成。2.1.1硬件方案设计硬件基本构成有plc主控系统部分、调功器、加热炉、加热器、启动/停止开关按钮、数显表与温度变送器五部分组成。其结构硬件部分组成及其关系如图2-1所示。图2-1 加热炉硬件部分组成图基本工作原理：加热炉是加热对象（本设计采用自来水作为加热对象）的容器，通过温度变送器检测炉内水温和夹套温度，产生0100mv电压信号，传送给s7-200plc的模拟量扩展模块em235，由plc主控系统部分进行运算和处理后再由模

36、拟量扩展模块em235产生05v的控制信号传送给调功器，调功器根据不同的控制信号输出不同的电压来控制加热炉内的加热器来对水温进行加热和控制，由此水温升高或降低会影响温度检测元件，从而产生了一个闭环回路控制，因此达到平衡控制水温的目的。通过启动和停止产生的开关量数字信号来控制系统运行于停止，实现手动控制的功能。两个数显表分别用于显示夹套温度和内胆温度，其分辨率为1。2.1.2软件方案设计软件基本结构由主/副控器pid，控制对象温度调功器、检测元件温度变送器等部分组成。其基本工作原理：首先计算出两个控制器pid的有关参数，进行pid初始化，把夹套温度变送器和内胆温度变送器传送回来0100mv的电压

37、信号通过模拟量输入模块em235的a/d转换变为032000的数字量，然后进行变换变为01的过程量形参，然后给定一个夹套温度给定量sv和夹套温度过程量pv1传送给主控制器pid运算，得到的结果out1作为副控制器的给定量sv与内胆温度过程量pv0传送给副控制器 pid运算，得到的结果out0经过标度变换和模拟量输出模块em235的a/d转换变为05v的控制信号传送给温度调功器，对炉内加热器进行控制，同时对内胆温度和夹套温度进行检测，形成双闭环回路控制。其组成图如图2-2所示，流程图如图2-3所示。图2-2 加热炉软件控制部分组成图图2-3 系统流程框图2.2 pid控制算法模拟量闭环控制较好的

38、方法之一是pid控制，pid在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，pid的研究已经到达一个比较高的程度。比例控制(p)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制(i)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。在微分控制(d)中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。pid控制，p、

39、i、d各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取pid值，就可以获得较高的控制质量。2.2.1 pid算法图 2-4 带pid控制器的闭控制系统框图 如图2-4所示，pid控制器可调节回路输出，使系统达到稳定状态。偏差e和输入量r、输出量c的关系： (2-1)控制器的输出为： (2-2)上式中, pid回路的输出；比例系数p； 积分系数i；微分系数d;pid调节器的传输函数为： (2-3)数字计算机处理这个函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算机输出值。其离散化的规律如表2-1所示。表 2-1 模拟与离散形式模拟形式离散化形式所以pid输出经过离散

40、化后，它的输出方程为； (2-4)式2-4中， 称为比例项； 称为积分项； 称为微分项；上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。故可利用plc中的pid指令实现位置式pid控制算法量。2.2.2pid在plc中的回路指令现在很多plc已经具备了pid功能，step 7 micro/win就是其中之一有的是专用模块，有些是指令形式。西门子s7-200系列plc中使用的是pid回路指令见表2-2。表2-2 pid回路指令名称pid运算指令格式pid指令表格式pid tbl，l

41、oop梯形图使用方法：当en端口执行条件存在时候，就可进行pid运算。指令的两个操作数tbl和loop，tbl是回路表的起始地址，本文采用的是vb100，因为一个pid回路占用了32个字节，所以vd100到vd132都被占用了。loop是回路号，可以是07，不可以重复使用。pid回路在plc中的地址分配情况如表2-3所示。表2-3 pid指令回路表偏移地址名称数据类型说明0过程变量（pvn）实数必须在0.01.0之间4给定值（spn）实数必须在0.01.0之间8输出值（mn）实数必须在0.01.0之间12增益（kc）实数比例常数，可正可负16采样时间（ts）实数单位为s，必须是正数20采样时间

42、（ti）实数单位为min，必须是正数24微分时间（td）实数单位为min，必须是正数28积分项前值（mx）实数必须在0.01.0之间32过程变量前值（pvn-1）实数必须在0.01.0之间1) 回路输入输出变量的数值转换方法 本设计中回路的输入为两个温度模拟量输入，夹套和内胆温度经过温度检测模块，传送给em235经过a/d转换后得到的是16为整数，而设计中所需要的过程变量为实数，所以我们需要将整数转换为实数，这里就要用到i_di，di_r指令，就如在标度变换中的转换一样，得到实际的温度值。输出为05v的电压信号，所以我们输入到em235的数值也为16位整数类型，而经过pid回路运算后得到的数据

43、为32为实数，这里我就要用到round,di_i指令，就如在副控制器中断程序一样，得到的数据从模拟量输出端口输出。2) 实数的归一化处理因为pid中除了采样时间和pid的三个参数外，其他几个参数都要求输入或输出值0.01.0之间，所以，在执行pid指令之前，必须把pv和sp的值作归一化处理。使它们的值都在0.01.0之间。归一化的公式为： （2-5）式中, 标准化的实数值； 未标准化的实数值；补偿值或偏置，单极性为0.0，双极性为0.5； 值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为6400。本文中采用的是单极性，故转换公式为： （2-6）因为温度经过检测和标度变换后，得

44、到的值是实际温度值，所以为了sp值和pv值在同一个数量值01.0对应0100，所以输入sp值的时候应该是填写一个是实际温度1/100的数，即想要设定目标控制温度为80时，需要输入一个0.8。3) 回路输出变量的数据转换本设计中，利用回路的输出值来设定下一个周期内的加热时间。回路的输出值是在0.01.0之间，是一个标准化了的实数，在输出变量传送给d/a模拟量单元之前，必须把回路输出变量转换成相应的整数。这一过程是实数值标准化过程。 （2-7）s7-200不提供直接将实数一步转化成整数的指令，必须先将实数转化成双整数，再将双整数转化成整数。程序如下：round ac1, ac1dti ac1, v

45、w342.2.3 pid参数整定pid参数整定方法就是确定调节器的比例系数p、积分时间ti和和微分时间td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如表2-4所示。表 2-4温度控制器参数经验数据被控变量规律的选择比例度积分时间（分钟）微分时间（分钟）温度滞后较大20602040

46、03实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。 1） 整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。2）整定积分环节先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定微分环节环节先置微分时间td=0，逐渐加大td，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和pid控制参数。经过经验得出本设计的pid参数如下，主控制器的增益为0.15，采样时间为0.2s，积分时间为30min

47、，微分时间为3.0min；副控制器的增益位2.0 ，采样时间为0.2s，积分时间位27min，微分之间为0min。第三章 系统硬件设计3.1 系统的硬件组成3.1.1系统结构组成温度控制系统的结构包括一台可编程控制器、一台调功器、两个温度检测回路、一个加热器、一个模拟量输入输出扩展模块em235、两个数显表、两个启动/停止按钮，一个系统运行指示灯。3.1.2统各个组成部分完成的任务（1）运行指示灯和启动按钮/停止按钮实现运行监控和启动和停止系统的控制：按下启动按钮，系统开始运行，运行指示灯点亮；按下停止按钮，系统停止运行系统指示灯熄灭。（2）数显表：根据plc的输出实时显示内胆温度和夹套温度的

48、实际温度值，便于控制和观察。（3）温度变送器：用来检测夹套和内胆温度，将温度值转换为plc可以读取的电压模拟量信号，同时传送给plc模拟量输入模块em235。（4）调功器和加热器：是plc的控制对象，根据plc模拟量输出模块输出的05v电压信号，来控制调功器的输出功率电压，对加热器进行控制，来加热炉内温度。（5）可编程控制器和模拟量输入/输出扩展模块：可编程控制器对采集来的温度信号进行标度变换处理后得到实际的温度值，将数据传送给两个数显表对内胆温度和夹套温度分别显示；另一方面，根据采集到得温度值，和给定的温度值进行计算处理，采用pid控制算法处理后通过模拟量输入输出扩展对调功器进行控制来实现对

49、加热器的控制。3.2 可编程控制器可编程控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称plc。3.2.1plc的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。(2)配套齐全，功能完善，适用性强plc发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工

50、业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中，加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用plc的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制

51、打开了方便之门。(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。(5)体积小，重量轻，能耗低以超小型plc为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.2.2plc的选型全球plc有二百多种，国内常用plc也就二三十种，常用的有德国西门子，法国施耐德，美国ab，abb，ge日本欧母龙，三菱，松下

52、，韩国，三星，国产和利时，科创思等。西门子plc相对于其他的plc价钱比较高，但是性能相对强大，可操作性强，有相配套的伺服系统和组态软件。而且在大学期间我所接触的也大多数是西门子公司的plc。西门子plc的种类分为s7-200plc，s7-300plc，s7-400plc等，s7-300plc，s7-400plc与s7-200plc相比功能更为强大，为s7-200的升级产品，但由于本系统所需功能和技术要求s7-200完全能够解决，所以从经济方面考虑选用西门子s7-200plc系列产品。s7-200系列plc是由德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程控制器，它能满足多种自动化控制的需求，其设计

53、紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器在简单的控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于具有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。s7-200系列可以根据对象不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架上。3.2.3西门子s7-200主要功能模块介绍（1）cpu模块：s7-200的cpu模块包括一个中央处理单元，电源及数字i/o点，这些都被集成在一个紧凑，独立的设备中，cpu负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。从cpu模块功能来看，cup模块为cup22*，它具有如下五

54、种不同的结构配置cpu单元：cpu221它有6输入/4输出，i/o共计10点。无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。cup222它有8输入/6输出，i/o共计14点，和221相比，它可以进行一定的模拟量控制和2个模拟量扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。cup224它有14输入/10输出，i/o共计24点，和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用得最多s7-200产品。cup226 它有24输入/16输出，i/o共计40点，和cup224相比，增加了通信口数量，通信能力

55、大大增强。它可用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。cup226xm 它在用户程序存储量和数据存储量上进行了扩展，其他指标和cup226相同。在本设计中由数字量2输入/4输出，需要一个模拟量扩展，而cup222本机数字量8输入/6输出，和两个模拟量，可完成设计所需的技术要求，所以本设计选用cup222 dc/dc/dc。cup用24v dc电源，24v dc输入，24v dc输出，其功率为5w，订货号为6es7 212-1ab23-0xb0。（2）模拟量扩展模块： 温度传感器检测到温度转换成0100mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入plc中进行处理，得